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2013년 2월 석사학위논문

미생물에 의한 자류철석과 티탄철석의 물성변화 특성

조선대학교 대학원

에 너 지 자 원 공 학 과

미생물에 의한 자류철석과 티탄철석의 물성변화 특성

Physi calPr oper t y ChangesofPyr r hot i t eandI l meni t e by Mi cr oor gani sm

2013년 2월 25일

조선대학교 대학원

에 너 지 자 원 공 학 과

미생물에 의한 자류철석과 티탄철석의 물성변화 특성

지도교수 강 성 승

이 논문을 공학 석사학위신청 논문으로 제출함

2012년 10월

조선대학교 대학원

에너지자원공학과

박 영 호

박영호의 석사학위논문을 인준함

위원장 조선대학교 교수 박 천 영 ( 인) 위 원 조선대학교 교수 강 추 원 ( 인) 위 원 조선대학교 교수 강 성 승 ( 인)

2012년 11월

-목 차-

Listoftables···ⅰ Listoffigures···ⅲ

Abstract···ⅵ

1.서론 ···1

2.연구배경 ···3

2.1미생물의 특성 ···3

2.2미생물에 의한 산화작용 메커니즘 ···5

3.연구지역 ···7

4.시험방법 ···9

4.1시험편 ···9 4.2미생물 및 시험편 배양 ···11 4.3실내시험 ···12 4.3.1슬레이크 내구성 시험 ···12 4.3.2공극률 및 흡수율 ···14 4.3.3종파속도 ···16 4.3.4일축압축시험 ···17 5.측정된 물성값의 보정 ···18 6.연구결과 ···22 6.1자류철석의 물성변화 ···22 6.1.1배양기간에 따른 pH 변화 ···22 6.1.2슬레이크 내구성 시험 ···26 6.1.3흡수율 ···30 6.1.4종파속도 ···34 6.1.5일축압축강도 ···38 6.2티탄철석의 물성변화 ···40

6.2.2흡수율 ···43 6.2.3공극률 ···47 6.2.4종파속도 ···51 6.2.5일축압축강도 ···55 7.토의 ···58 8.결론 ···61 참고문헌 ···62 요약 ···67

Li stoft abl es

Table 5-1.The initialvalues of the physicalproperties on pyrrhotite and ilmenite core specimens. n: porosity, Ab: absorption, Vp: P-wave velocity···19 Table6-1.Theresultsofthemeasured pH with an intervalof3daysduring cultureperiodonspecimen-U andspecimen-S.0day:controledpH····24 Table6-2.Theresultsofthemeasuredweightoneachcycleofslakedurability testaccordingtocultureperiod···27 Table6-3.Theresultsofweighton each cycleand drum measured forslake durabilityindex._:Slakedurabilityindex···27 Table 6-4.The results ofthe measured absorption before and after culture according to cultureperiod on Specimen-U and Specimen-S.M_{ }:dry weight,M_{ }:saturatedweight,Ab:absorption···31 Table6-5.Theresultsofnormalizedabsorption according tocultureperiodon Specimen-U andSpecimen-S.0day:initialaveragevalues···32 Table6-6.Theresultsofthemeasured Vp beforeand aftercultureaccording tocultureperiodon Specimen-U andSpecimen-S.Vp:P-wavevelocity

···35 Table 6-7.The results ofnormalized P-wave velocity according to culture period in Specimen-U and Specimen-S.Vp:P-wave velocity,0 day:

initialaveragevalues···36 Table 6-8.The results ofthe measured UCS according to culture period on Specimen-U and Specimen-S.UCS:uniaxialcompressive strength,0 day:initialvalue···39 Table6-9.Theresultsofthemeasured pH according tooxidation testoftwo conditionsandcultureperiod···41 Table6-10.Theresultsofthemeasured absorption beforeand afteroxidation testoftwoconditionsaccording tocultureperiod.M :dry weight,M

Table6-11.Theresultsofnormalizedabsorption according tooxidation testof twoconditionsandcultureperiod.0day:initialaveragevalues···45 Table6-12.Theresultsofthemeasuredporositybeforeandafteroxidationtest oftwo conditions according to culture period.M_{ }:dry weight,M_{ }: saturationweight,M_{ }:weightinwater,n:porosity···48 Table 6-13.The results ofnormalized porosity according to oxidation testof twoconditionsandcultureperiod.0day:initialaveragevalues···49 Table6-14.Theresultsofthemeasured Vpbeforeand afteroxidation testof twoconditionsaccordingtocultureperiod.Vp:P-wavevelocity···52 Table 6-15.The results ofnormalized Vp according to oxidation testoftwo conditions and culture period. Vp: P-wave velocity, 0 day: initial averagevalues···53 Table6-16.TheresultsofthemeasuredUCS beforeandafteroxidationtestof two conditions according to culture period.UCS:uniaxialcompressive strength,0dayafterculture:initialaveragevalues···56

Li stoff i gur es

Figure2-1.Theoreticalgrowthcurveofmicroorganism···4 Figure 2-2.Direct contact oxidation by microorganism:(a) SEM image of microorganism attached to mineralsurface,(b)corrosive oxidation of mechanism bymicroorganism···6 Figure2-3.Processofindirectcontactoxidationbymicroorganism···6 Figure 3-1.The geologic map ofthe study area,sampling locations for (a) pyrrhotite,and(b)ilmenite···8 Figure 4-1. Manufacturing process of core specimen: (a) coring for core recovery,(b) cutting for specimen size,(c) polishing for specimen surface,(d)pyrrhotite,and(e)ilmenitecorespecimens···10 Figure4-2.A view ofslakedurability testapparatusformeasuring weightand slake durability index: (a) slake durability test apparatus and core specimenindrum,(b)measurementmethod···13 Figure4-3.Measuring processofabsorption and porosity:(a)desiccator,silica geland vacuum oilpump forsaturation,(b)measurementofweightin waterandsaturationweight,(c)dryingformeasuringdryweight···15 Figure4-4.A view ofCND testerformeasuring wavevelocity:(a)component ofequipment,(b)measurementmethod···16 Figure 4-5.A view ofthe uniaxialcompression testfor measuring uniaxial

compressivestrengthinlaboratory···17 Figure5-1.Thedistribution rangeson initialvaluesof(a)absorption,and (b) Vpofpyrrhotite···20 Figure 5-2.The distribution ranges on initialvalues of (a) absorption,(b) porosity,and(c)Vpofilmenite···21 Figure6-1.The pH changesaccording to culture period:(a)Specimen-U,(b) Specimen-S,and(c)alldata···25 Figure 6-2.Changes of weightby each cycle ofslake durability testwith

Figure6-3.Changesofslakedurability index by each cycleofslakedurability testwithcultureperiod···29 Figure 6-4.Changes ofmeasured absorption before and after culture on (a) Specimen-U,and(b)Specimen-S withcultureperiod···32 Figure 6-5.Changes ofnormalized absorption according to culture period:(a) Specimen-U,(b)Specimen-S,and(c)alldata···33 Figure 6-6. Changes of measured Vp before and after culture on (a) Specimen-U,and(b)Specimen-S withcultureperiod···36 Figure 6-7.Changes ofnormalized absorption according to culture period:(a) Specimen-U,(b)Specimen-S,and(c)alldata···37 Figure6-8.Changesofmeasureduniaxialcompressivestrengthbeforeandafter cultureonSpecimen-U withcultureperiod···39 Figure 6-9.Change of measured pH by (a) abiotic oxidation test,and (b) bio-oxidationtestwithcultureperiod,and(c)resultsofalltests···42 Figure 6-10.Changes of measured absorption before and after (a) abiotic oxidationtest,and(b)bio-oxidationtestwithcultureperiod···45 Figure6-11.Changesofnormalizedabsorptionon(a)abioticoxidationtest,and (b)bio-oxidationtestwithcultureperiod,and(c)resultsofalltests·46 Figure6-12.Changesofmeasuredporositybeforeandafter(a)abioticoxidation test,and(b)bio-oxidationtestwithcultureperiod···49 Figure6-13.Changesofnormalized porosity on (a)abioticoxidation test,and (b)bio-oxidationtestwithcultureperiod,and(c)resultsofalltests·50 Figure 6-14.Changes ofmeasured Vp before and after (a)abiotic oxidation test,and(b)bio-oxidationtestwithcultureperiod···53 Figure 6-15.Changes ofnormalized Vp on (a)abiotic oxidation test,and (b) bio-oxidationtestwithcultureperiod,and(c)resultsofalltests···54 Figure6-16.Changesofmeasured uniaxialcompressivestrength by (a)abiotic oxidation test,and (b)bio-oxidation testwith culture period,and (c)

compressiontest···60

Abst r act

Phys i c a lPr o p e r t yCha nge so fPyr r ho t i t ea ndI l me ni t e byMi c r o o r ga ni s m

ByYOUNGHO PARK

Adv.Prof.:Seong-SeungKang,Ph.D, Dept.ofEnergyandResourcesEngineering GraduateSchoolofChosunUniversity

Weathering is generally classified with physical,chemicaland biological weatherings and one of the important factors depending on the physical propertiesofrocks.Thephysicalweatheringisrelatedtorockfracturing dueto temperaturechange,waterandcrystallization ofsalts.Thechemicalweathering is related to color change of rock,alteration of rock-forming minerals and chemicalresolution dueto chemicalcomposition-air,rain and infiltration water inrocks.Thebiologicalweathering isrelatedtooxidationduetomicroorganism and alteration ofminerals due to a lichen.In general,weathering occurs in combination rather than independently. If weathering occurs to rocks, the strength ofweathered rockswillbeweakened.Afterall,therocksarebroken.

Therefore,itisvery importantto understand themechanism ofweathering in rocks.Studies ofrock weathering is usually focused on the relation between mechanical and geological properties. In present, many studies have been performed with physical and chemical weathering mainly, not common in biologicalweathering.

The purpose of this study is to examine weathering characteristics of pyrrhotite and ilmenite by acidophilic bacteria (microorganism) throughout variouslaboratory testssuchasslaking durability,absorption,porosity,P-wave

were compared and analyzed.Finally,physical properties of pyrrhotite and ilmenitebymicroorganism werequantitativelyanalysed.

In the case of pyrrhotite, the measured pH during 90 days showed tendency to exactly correspond to theoreticalgrowth curve ofmicroorganism.

Then,in comparison with theresultsofgrowthcurveaccording tothepH and various laboratory test,absorption by culture period of microorganism was located at lag phase from 0 to 30 days, log phase from 30 to 40 days, stationary and death phasefrom 40 to 90 days.Vp waslocated atlag phase from 0to30days,log phasefrom 30to40days,stationary phasefrom 40to 70daysanddeath phasefrom 70to90days.UCS waslocatedatlag and log phase from 0 to 30 days,stationary and death phase from 40 to 90 days. Changesofweightandslakedurability index on cyclesofslakedurability test did notshow trend like growth curve.However,the changes in case ofthe cultured microorganism were less decreased than microorganism was not cultured. In the case of ilmenite, the measured pH during 45 days was distributedin therangefrom 3.82to4.26,ontheotherhand,bio-oxidationtest showedtherangefrom 2.20to2.57.Theabsorptionaccording tomicroorganism and culture period represented 0.052 % atfinalstage in the case ofabiotic oxidation testand 0.073% in the case ofbio-oxidation test.Porosity showed 0.206% atfinalstagein thecaseofabioticoxidation testand0.281% in the caseofbio-oxidation test.In general,thevaluesby bio-oxidation testshowed higherthan thatby abiotic oxidation test.Change range ofVp with culture period showed thatthemeasured valueas1410m/satfinalstagein thecase ofbio-oxidation testwas lowerthan 1886 m/s ofthatin the case ofabiotic oxidation test.The UCS was decreased with increasing culture period in all specimens and represented 241.1 MPa at finalstage in the case of abiotic oxidation testand 140.0MPa in thecaseofbio-oxidation test.Asa result,it implies that physicalproperty changes on pyrrhotite and ilmenite is highly dependentonmicroorganism.

1.서론

풍화는 작용 메커니즘에 따라 물리적,화학적,생물학적 풍화작용으로 구분할 수 있으며,암석의 공학적 성질을 좌우하는 중요한 요소 중 하나이다.물리적 풍화 작용은 온도변화,물,염류의 결정화 등에 의하여 암석이 서서히 쪼개어져 파쇄되 는 현상이며,화학적 풍화작용은 화학성분,공기,물 들이 화학적으로 반응하여 암 석의 색 변화,조암광물의 변질,화학적 분해와 같은 현상이 발생하는 것을 가리킨 다.또한 생물학적 풍화작용은 미생물에 의한 산화나 지의류 등에 의한 광물 변질 등이 발생하는 현상을 나타낸다.이들 풍화작용은 각기 서로 독립적으로 발생하기 보다는 복합적으로 일어나는 경우가 많다.암석에 풍화가 발생하면 암반을 구성하 는 암석의 강도가 저하되고,그로 인하여 결국 구조물 전체가 붕괴되는 결과를 가 져온다.따라서 암반 구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 암석 물성 특성의 변화 원인 중의 하나인 풍화 메커니즘을 규명하는 것이 중요하고,아울러 이를 평가할 수 있는 방법이 필요하다.

암석의 풍화정도를 판단하기 위한 방법은 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다.

한 가지 방법은 암석의 변색,변질 들을 육안으로 관찰하고 이를 바탕으로 풍화등 급을 추정하는 정통적인 정성적 방법이다.또 다른 방법으로서 다양한 장비를 이용 하여 실내 및 현장 시험을 하여 그 결과로부터 풍화등급을 추정하는 정량적 방법 을 들 수 있다.이 방법은 정성적 방법과 함께 사용됨으로 정확도와 신뢰도가 정성 적 방법에 비해 더 높다.최근에는 풍화에 대한 다양한 실내외 실험을 통한 풍화 메커니즘 이해와 풍화 특성을 규명하기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다.국내에 서 수행된 암석 풍화에 관한 연구는 주로 동결융해시험을 이용한 물리적 풍화특성 에 관한 연구(박연준 외,2003,장현식 외,2004,엄정기 외,2009,조태진 외 2009, 강성승 외,2011)와 화학적 및 지화학적 분석에 의한 화학적 풍화특성에 관한 연구 (우익과 박혁진,2004,이창섭 외,2007,우익 외 2009,송원경 외,2009,엄정기, 2012)가 집중적으로 이루어 졌다.이와는 달리 생물학적 요인에 의한 암석의 풍화 특성에 관한 연구는 아직까지 매우 미미한 상태에 있다.

과들은 많은 연구자들에 의해 보고되었다(Brierley,1978;Grishin et al.,1988;

Bhattietal.,1993;Zhangetal.,1997;노열 외,2006;박천영 외,2010;유재영 외, 2011).이들 연구결과에 따르면,미생물에 의한 pH와 Eh가 이들의 대사작용 및 성 장활동에 의한 반응 결과로서 광물의 산화작용을 촉진시키므로 암석의 풍화에 있 어 중요한 요인으로 작용함을 나타냈다.이처럼 미생물에 의한 산화는 미생물체가 에너지원을 쉽게 얻기 위해서 산화작용이 일어나는 광물 표면에 직접적으로 부착 하게 된다는 직접접촉산화 메커니즘에 대한 가설을 Silverman(1967)이 처음 제안한 이래로 이에 대한 연구들이 이루어져 왔다.Sand etal.(1995,2001)는 미생물체가 부착된 광물 표면은 이들이 분비한 효소로 인하여 부식작용이 일어나며,이때 이들 이 세포외중합체물질(extracellularpolymetricsubstance)을 분비하여 광물의 표면 을 효소적으로 공격한다고 설명하였다.그리고 Rojas-Chapanaetal.(1995)는 미생 물체가 분비한 유기질 캡슐(organiccapsule)이 광물의 표면을 강하게 산화시킨다 고 하였다.박천영 외(2001)는 미생물이 직접접촉산화 메커니즘에 의하여 자연적으 로 이루어진 미세한 공극 및 균열 등을 확장시킨다고 보고하였다.

하지만 미생물에 의한 암석의 물성변화를 파악하기 위하여 살아있는 미생물을 대상으로 이들의 성장환경 및 활동에 영향을 미치는 인자들과 미생물의 산화작용 메커니즘이 광물의 결함(imperfection)에 미치는 영향을 파악하기에는 다소 어려움 이 있다.그러나 이상에서 언급한 미생물의 특성에 관한 연구 결과들로부터 생물 학적 풍화에 의한 암석의 물성 특성에 대한 적용 가능성은 충분히 파악할 수 있을 것으로 판단된다.

이 연구에서는 호산성박테리아(이하 미생물)를 배양하여 첫째,자류철석으로부 터 미생물이 최적의 성장환경 조건에서 변화시키는 pH와 미생물의 이론적인 성장 주기의 관계를 살펴보았다.둘째,미생물에 의한 pH 변화 양상에 따른 암석의 물성 변화 특성을 비교분석하고 그 결과를 바탕으로 다른 암종에서의 적용 가능성을 검 토 하였다.셋째,티탄철석을 대상으로 미생물을 배양하지 않은 무기적 산화작용과 미생물을 배양한 생물학적 산화작용에 따른 암석의 물성변화특성의 관계를 정량적 으로 비교분석하였다.마지막으로,이들 결과를 바탕으로 미생물에 의한 암석의 풍 화지표를 제시할 수 있는지의 가능성을 검토 하였다.

2.연구배경

2. 1미생물의 특성

미생물을 배양하기 위해서는 질소(N),인(P)및 황(S)과 같은 무기성분과 에 너지원이 필요하다(박천영 외,2010(b)).그 밖에도 최호형(2004)은 온도,압력,pH 등의 외부적인 환경조건이 적절하게 갖추어지면 미생물이 원활하게 대사 작용을 할 수 있으며,이에 따른 개체수의 변화량은 일정한 성장주기의 형태를 나타낸다고 하였다.Figure2-1은 최적의 성장조건에서 나타나는 미생물의 이론적인 성장곡선 주기를 나타낸 것이다.그림에서와 같이 유도기는 미생물의 개체군이 주요 에너지 원과 반응하여 환경에 적응하는 시기,지수성장기는 미생물의 개체수가 급격하게 증가하며 세포의 증식이 활발해지는 시기,정체기는 미생물의 개체수가 최대에 이 르며,물질 대사는 여전히 진행되나 미생물의 급격한 증가로 인하여 필수 영양성분 이 고갈되거나 노폐물이 축적되어 성장을 제한하는 시기이고,사멸기는 미생물이 정체기에 도달한 이후 더 이상 물질대사를 할 수 없으며 그 수가 점차 줄어드는 시기이다.이러한 미생물의 성장곡선 형태는 미생물이 이분법 증식에 의한 세포분 열로 개체수를 증가시키는 현상이다.즉,미생물의 성장은 이들이 이분법 증식을 함으로서 한 개의 세포가 분열 시 두 개의 세포로 증가하는 2의 지수비율로 늘어 나는 것으로 시간에 따른 세포의 증가형태를 대수(log)로 보았을 때,동일한 성장속 도비율로 증가하지만 지수의 값은 산술적으로 시간이 지남에 따라 급격하게 증가 하는 것을 의미한다.이처럼 미생물의 성장주기는 미생물의 개체수와 밀접한 관계 가 있으므로 이를 측정하는 방법이 요구된다.일반적으로 미생물의 개체수에 대한 측정은 주로 미생물의 대사 작용에 의하여 소비되는 용존산소 감소량을 측정하여 개체수를 추정하는 방법(Landesman etal.,1966),미생물의 활동에 의해 증가되는 산도로 개체수를 추정하는 방법(McGoranetal.,1969),그리고 미생물 활동에 의하 여 용해된 ^{ }이온 함량을 측정하여 개체수를 추정하는 방법(MacDonald and Clark,1970)등이 사용된다.특히,pH의 경우와 같이 산도에 의한 영향은 미생물의

낮아질수록 그 개체수가 증가하는 것이 일반적인 특징이므로 pH의 감소는 이들의 개체수 변화량을 간접적으로 반영하는 결과로서 pH와 개체수의 변화량은 상호 반 비례 관계를 나타낸다.

Figure2-1.Theoreticalgrowthcurveofmicroorganism.

2. 2미생물의 산화작용 메커니즘

미생물에 의한 암석의 풍화작용은 다양한 원인들이 복합적으로 발생하여 이루 어지는 과정으로서 광물의 구성 성분을 주 에너지원으로 활용하며,이들의 대사 작 용을 통하여 산화를 촉진시킨다.더군다나 이 연구에서 미생물에 의한 산화작용 메 커니즘이 광물의 풍화에 있어 직접적인 영향을 미치는 요인으로 작용하기 때문에 이를 정확하게 이해하는 것이 중요하다.

Sandetal.(1995)은 황화광물에 포함되어 있는 금속이온은 미생물의 직접접촉 산화작용(directcontactoxidation)과 간접접촉산작용(indirectcontactoxidation)에 의하여 일어남을 보고하였다.직접접촉산화작용은 미생물체가 황화광물의 표면에 물리적으로 부착하여 산화작용을 일으키는 것이다(Figure 2-2).그림에서 보이는 바와 같이 미생물들이 황화광물 표면에 발달한 결함(defect)이 있는 특정 장소에 부착하고 있는 것을 관찰할 수 있다(Figure2-2(a)).이러한 원인은 미생물에 의한 황화광물의 산화작용이 결정화가 잘 이루어진 결정면 보다는 결함이 있는 결정면 에서 더 잘 일어나고,이들의 특징이 산화작용을 일으킬 때 쉽게 산화에너지원을 방출하기 때문이다(Rojas-Chapana and Tributsch,2004).즉,자연계에서 생성된 광물에는 자연적으로 발달된 균열,파쇄대 및 미세한 공극들이 존재하며,미생물들 은 이들 장소로부터 쉽게 산화에너지원을 흡수할 수 있다(BennettandTributtsch, 1978;Shriharietal,1991;Ohmuraetal.,1993).이처럼 미생물체는 특정 장소에 부착하여 산화작용을 일으키는 과정에서 대사작용을 통해 유기산과 세포외중합체 물질을 분비하며 광물 표면을 효소적으로 공격한다(Figure2-2(b)).그 결과 미생물 체가 분비한 효소로 인해 부식작용에 의한 충식 현상이 일어나며,아울러 결함을 확장시킨다.(Sandetal.,1995;박천영 외.,2011).

한편 간접접촉산화작용은 미생물이 용액 속에 용해되어 있는 ^{ }이온을 산화 시켜 에너지원으로 활용하고,산화에 의해 생성된 ^{ }이온이 황화광물을 산화시 키는 것으로서 그 과정을 타나내면 Figure2-3과 같다.그림에서와 같이 산소와 접 촉한 ^{ }이온이 ^{ }이온으로 산화되며,^{ }이온이 황화광물을 무기적으로 산

2010).

Figure2-2.Directcontactoxidationbymicroorganism:(a)SEM imageof microorganism attachedtomineralsurface,(b)corrosiveoxidationofmechanism

bymicroorganism.

Figure2-3.Processingofindirectcontactoxidationbymicroorganism.

3.연구지역

본 연구를 위하여 강원도 삼척시 풍곡리 280번지 제2연화광산 일대에 분포하는 자류철석과 경기도 포천시 관인면 삼율리 144-1번지 함티탄철광산 일대의 티탄철 석을 각각 채취하였다(Figure3-1).제2연화광산 주변의 지질은 함백향사의 동단부 에 속하고 선캠브리아기의 화강편마암을 기반으로 그 상부에 캠브리아기-오르도비 스기의 묘봉슬레이트층,대석회암통의 풍촌석회암층,동점규암층 및 두무동층 등이 분포되어 있으며,조선누층군으로 대비되는 묘봉층과 풍촌층으로 덮고 있는 트라이 아스기와 백악기 반암류로 구분된다(이평구 외,2011).광상유형은 열수교대 광상과 스카른광상의 특징을 보이며,이에 수반되는 광석광물로는 주로 섬아연석,방연석, 황철석,자류철석 등이 주를 이루고 있다(Figure3-1(a)).함티탄철광산의 주변 지 질은 경기변성암 복합체의 북쪽에 해당하는 지역으로서 선캄브리아기의 변성퇴적 암류에 대비되는 변성퇴적암류와 이들을 관입하는 시대미상의 각섬암이 중앙부에 넓게 분포하고 있다.또한 변성퇴적암류 중 운모편암은 남동부에 넓게 분포하며, 남서부에서는 규암과 석회암 및 운모편암이 호층을 이룬다.특히 규암의 일부는 각 섬암이 분포하는 중앙부에 포획되어 함티탄자철광체와 접하고 있으며 석회암은 규 암 및 운모편암과 호층을 이루고 각섬암 내에 포획된 석회암이 중앙부와 남부에서 관찰된다.상기의 변성퇴적암류와 각섬암들은 대보화강암류에 해당하는 화강암이 관입하고 있다.아울러 광상유형은 정마그마 광상에 속하며 수반되는 광석광물로는 황철석,섬아연석,자철석,티탄철석 등이 주를 이루고 있다(Figure3-1(b)).

Figure3-1.Thegeologicmapofthestudyarea.(a)samplinglocationfor pyrrhotite,and(b)ilmenite.

4.시험방법

4. 1시험편

미생물에 의한 암석의 물성변화 특성을 관찰하기 위한 시험편은 배지(culture medium)의 크기,광액농도(pulp density),미생물 및 성장-배양액(American Type CultureCollection;ATCC)용액의 첨가량을 고려하여 크기를 최소화하였다.박천 영 외(2010(a),2010(b),2011)는 박테리아를 이용하여 유용금속이온의 용출량을 높 일 수 있다는 연구결과를 보고한 바 있다.또한 유용광물 회수율이 높다는 것은 박 테리아의 생존 여부와 비례한다고 하였으며,이때 사용한 미생물 배지의 광액농도 는 미생물 배지(L)와 각 시료의 무게(g)비를 10:1의 비율로 한 결과라는 점을 고 려하여 광액농도는 식 (4.1)로 계산하였다.즉,이 연구에서 사용된 배지의 최대수 용 용량은 약 15L로서 광액농도를 각각 10%로 하였을 때,시험편은 성장-배양액의 첨가량에 대한 광석의 무게 비를 자류철석과 티탄철석의 시험편 총 무게가 각각 약 1000g∼ 1300g이 되도록 제작하였다.

    

×  (4.1)

여기서,W는 각 시료의 무게(g),V는 배양액의 무게(L)이다.

시험편은 직경 25mm,높이 약 50mm 크기의 원형시험편으로서 배양기간을 고려하여 각 시료 당 총 20개의 코어를 회수하였으며,제작과정은 Figure4-1과 같 다.특히,티탄철석의 경우 무기적 산화와 생물학적 산화 등 두 조건의 산화환경에 서 물성변화를 비교분석한다는 점을 고려해볼 때,시료 불균질성에 의한 물성변화 의 영향을 최소화하기 위하여 두 개의 대상 암석 덩어리에서 각각 10개씩,총 20개 의 코어를 회수하여 시험편을 제작하였다.

Figure4-1.Manufacturingprocessofcorespecimen:(a)coringforcore recovery,(b)cuttingforspecimensize,(c)polishingforspecimensurface,(d)

pyrrhotite,and(e)ilmenitecorespecimens.

4. 2미생물 및 시험편 배양

이 연구에서 생물학적 풍화를 유도하기 위하여 자류철석과 티탄철석의 산화반 응에 이용할 미생물은 acidbacilliusthiooxidans와 acidbacilliusferrooxidans로 선 정하였다.선정된 미생물은 basalsalt와 energy source로 구성된 성장-배양액 (growth-medium)에서 20˚C ∼ 25˚C로 12회 계대배양 하여 성장시킨 이후에 미생 물 2L를 채취하여 배양 전 제조된 성장-배양액(ATCC,이하 배지)에 접종시켜 생 물학적 산화 시험을 위한 배지를 조성하였다.여기서,제조된 성장-배양액의 무기 성분은 __,_·_,_ 및 __를 증류수에 용해시켰으며,에 너지원으로 _·_를 무기성분에 첨가하였다.반면,무기적 산화 시험을 위한 배지는 미생물을 첨가하지 않고 생물학적 산화 시험의 배지와 동일한 구성성분으 로 제조하였다.최종적으로 각 시험대상 시료 당 2개의 배지를 제조하였다.특히, 자류철석 시험편의 경우 미생물 성장주기에 따른 개체수 변화량으로 인한 pH 변화 로부터 암석의 물성변화 특성을 관찰하기 위하여 각각의 배지에 동일한 조건으로 코어 시험편 10개씩 첨가하였다.그리고 미생물이 배양 초기에 제조된 배지의 환경 에서 쉽게 적응할 수 있도록 황산(__)을 첨가하여 pH를 2.50으로 조절하였다.

반면,티탄철석의 경우 미생물의 유무에 따른 산화작용의 조건하에서 티탄철석의 물성변화를 비교분석하기 위하여 무기적 및 생물학적 산화 시험을 위한 배지에 산 화에너지원인 코어 시험편 10개씩을 각각 첨가하였다.그 이후에 미생물에 의한 각 시료의 물성변화 특성을 관찰하기 위한 배양기간은 미생물을 배양하지 않은 기간 (배양기간 0일)을 시작으로 자류철석의 경우 0,10,20,30,40,50,60,70,80,90일 등 10일 간격,티탄철석 배양기간은 0,5,10,15,20,25,30,35,40,45일 등 5일 간 격으로 하여 각각 총 10단계로 구성하였다.

4. 3실내시험

4. 3. 1슬레이크 내구성 시험

미생물 배양 전 후의 암석 중량 변화에 따른 내구성을 살펴보기 위하여 슬레이 크 내구성 시험을 실시하였다.즉,미생물 배양 전 각 시험편의 슬레이크 내구성 시험으로부터 미생물 배양 이후 각 시험편의 배양기간 별로 측정된 슬레이크 내구 성 시험 회수에 따른 중량 변화 및 내구성 지수를 비교하여 미생물에 의한 암석의 물성변화 특성을 살펴보았다.시험편은 직경 25mm,높이 약 50mm의 1인치 코 어 시험편을 사용하였다.슬레이크 내구성 시험 장치(Figure 4-2)는 DONG AH TESTING MACHINE에서 제작한 모델 번호 DA-643을 이용하였다.시험 방법은 2mm mesh로 이루어진 직경 140mm,길이 100mm의 원통형 드럼에 중량 90∼

110g 내외의 건조된 자류철석 코어 시험편을 넣고 10분간 200회 회전 시킨 후 시 료의 건조 무게를 측정한다.이러한 과정을 3회 반복하여 식 (4.2)으로부터 슬레이 크 내구성 지수(Slakedurabilityindex,_)를 구한다.

_   

  

×   (4.2)

여기서,A는 시료를 포함한 드럼의 무게(d),B는 해당 cycle횟수에 따른 드럼 과 남은 시료의 무게,D는 드럼의 무게를 나타낸다.

Figure4-2.A view ofslakedurabilitytestapparatusformeasuringweightand slakedurabilityindex:(a)slakedurabilitytestapparatusandcorespecimenin

drum,(b)measurementmethod.

4. 3. 2공극률 및 흡수율

미생물 배양 전 후에 대한 암석의 물성변화 특성을 알아보기 위하여 흡수율 및 공극률 측정을 실시하였다.즉,시험편 배양 전 각 시험편의 초기 흡수율 및 공극 률로부터 미생물 배양 이후 각 시험편의 배양기간 별로 측정된 공극률 및 흡수율 의 결과를 비교하였다.시험편은 앞서 설명된 슬레이크 내구성 시험에서 사용된 것 과 같은 크기의 1인치 코어 시험편을 사용하였다.측정 방법은 한국암반공학회 (2010)에서 규정한 시험법에 근거하여 총 3단계에 걸쳐 측정을 실시하였으며,그 절차는 다음과 같다(Figure4-3).첫째,데시케이터와 ULVAC KIKO.Inc.의 모델 번호 GLD-051진공오일펌프를 이용하여 시험편을 12시간 이상 800Pa(6torr)이하 의 진공상태에서 수침하여 포화시킨다.둘째,포화된 시험편은 모델번호 JH-600수 중무게 측정 장치에 있는 바구니에 넣고, 0.001g까지 측정이 가능한 Precisa GravimentricsAG의 모델번호 PrecisaBalances320XT 시리즈 전자저울을 이용하 여 시험편의 수중무게(_{ })을 측정한다.그리고 시험편을 수조에서 꺼내어 젖은 천으로 표면을 닦아내고 시험편의 표면건조 포화상태의 무게(_{ })를 측정한다.셋 째,건조기를 이용하여 24시간 이상 105°C에서 ±3정도의 온도를 유지한 이후에 시 험편의 건조무게(_{ })를 측정한다.마지막으로 앞서 측정된 수중무게,포화무게, 건조무게를 각각 이용하여 식 (4.3)과 (4.4)로부터 흡수율과 공극률을 구한다.

흡수율    _

_{ }_{ }

×  (4.3)

공극률    _{ }_{  }

_{ }_{ }

×  (4.4)

Figure4-3.Measuringprocessofabsorptionandporosity,(a)desiccator,silica gelandvacuum oilpumpforsaturation,(b)Measurementofweightinwater

andsaturationweight,(c)dryingformeasuringdryweight.

4. 3. 3종파속도

미생물 배양 전 후 암석에서 나타날 수 있는 속도 차이를 살펴보기 위하여 종 파속도(Vp)측정을 실시하였다.즉,미생물 배양 전 각 시험편의 초기 Vp측정 결 과로부터 미생물 배양 이후 각 시험편의 배양기간에 따라 측정된 Vp의 결과를 비 교하였다.시험편은 앞서 설명된 슬레이크 내구성 시험이나 공극률 및 흡수율 시험 을 위해 사용된 것과 같은 크기의 코어 시험편이 사용되었다.Vp는 Figure4-4에 서 보는 바와 같이 MISUNG C & S INSPECTION Co.Ltd.의 모델 번호 CND02-02ConcreteNon-DestructiveTester(CND)를 사용하여 측정되었다.이 장 치는 ConcreteNon-DestructiveTester본체와 두 개의 발 수신 센서,그리고 센서 에서 본체로 신호를 전달 할 수 있는 BNC connectorcable로 구성되었다.측정 방 법은 CND 본체에 시험편의 길이를 입력한 이후 발신 센서로부터 생성된 펄스가 시험편을 통과하여 수신센서에 도달할 때의 초기파를 기록하였다.측정값은 각 시 험편 별로 3번 측정해서 얻은 값에 대한 평균값을 사용하였다.

Figure4-4.A view ofCND testerformeasuringwavevelocity:(a)component ofequipment,(b)measurementmethod.

4. 3. 4일축압축시험

미생물 배양 전과 후에 대한 암석의 물성변화 특성을 알아보기 위하여 일축압 축시험을 실시하였다.시험편은 상하 압축면에 대한 편평도를 유지하기 위하여 약 150mm의 dinmondgrindingwheel을 이용하여 편평도의 오차가 ±0.02mm 내가 되도록 정밀하게 연마를 하였다.일축압축시험은 ISRM(1979)과 한국암반공학회 (2010)에서 규정한 시험법에 근거하여 실시하였다(Figure4-5).이때 사용된 만능재 료 시험기는 DEAKYOUNG TECH & TESTER MTG.Co.Ltd.의 모델 번호 DTU-900HC 시리즈를 사용하였다.시험 시 시험편 축하중의 편심을 방지하기 위 해 sphericalplaten을 이용하였다.측정 시 변형률과 축하중 값들은 일본 KYOWA 사의 모델 번호 UCAM-65B-AC M14의 데이터로거를 통하여 저장되며,모든 자료 는 컴퓨터를 사용하여 처리된다.

5.측정된 물성값의 보정

시험편 배양 전 자류철석과 티탄철석의 측정된 초기 흡수율,공극률 및 Vp의 결과를 정리하면 Table5-1과 같다.그리고 이들로부터 각 시험편에 대한 초기 물 성값의 분포를 Figure5-1과 Figure5-2에 각각 나타내었다.그림에서 보이듯이 자 류철석의 초기 흡수율은 0.125% ∼ 0.298%(Figure5-1(a)),Vp는 4386.0m/s∼

3759.4m/s(Figure5-1(b))사이에 분포하였다.티탄철석의 초기 흡수율은 0.029%

∼ 0.085%(Figure5-2(a)),공극률은 0.119% ∼ 0.278%(Figure5-2(b)),종파속도 는 1515.2m/s∼ 2057.6m/s(Figure 5-2(c))사이의 분포를 보였다.하지만 일부 시험편에 대한 물성값은 불규칙한 분포를 보였다.즉,각 시험편 별로 측정된 물성 값의 최소값과 최대값은 자류철석의 경우 흡수율이 0.173%,Vp가 약 514m/s의 편차를 보였으며,티탄철석의 경우 흡수율이 0.064 %,공극률이 0.158 % 그리고 Vp가 약 542m/s의 편차를 나타냈다.하지만,이 연구에서 각 배양기간별로 측정 된 시험편의 개수가 1개로 제한되어있고,사용된 각 시료들도 동일한 지역과 환경 에서 채취하였으며,각 시험편 별로 최소 3회 이상 측정한 결과임을 고려해 볼 때, 초기 평균 물성값에 대하여 각 시험편 별로 측정된 물성값의 심한 편차는 측정에 의한 오류로 판단할 수 없다.따라서 미생물 배양 전으로부터 배양 이후에 측정된 각 시험편의 물성 변화에 대한 결과는 기준점을 바탕으로 정규화할 필요성이 있다.

즉,이 연구에서는 미생물 배양 전후의 관계를 분석하기 위한 기준점을 초기 평균 값으로 하였으며,배양 전후의 각 단계별 물성 변화량에 대한 측정값의 차이를 초 기 평균값으로부터 뺀 후 이를 정규화하면 식 (5.1)로 나타낼 수 있다.

__ __ (5.1)

여기서,_(Propertiesvaluesafterculture)는 배양 후 물성값,_(Initialaverage values)는 배양 전 초기 평균값,_(Initialvaluesbeforeculture)는 배양 전 초기 측 정값,_(Measurevaluesafterculture)는 배양 후 측정값을 나타낸다.

No. Pyrrhotite Imenite

n(%) Ab(%) Vp(m/s) n(%) Ab(%) Vp(m/s) 1 - 0.216 4065.0 0.132 0.033 2057.6 2 - 0.157 4386.0 0.236 0.061 1515.2 3 - 0.205 4065.0 0.163 0.038 2040.8 4 - 0.207 3920.0 0.351 0.085 1850.2 5 - 0.162 4273.5 0.119 0.029 2032.5 6 - 0.192 4098.4 0.135 0.034 2040.8 7 - 0.212 3968.3 0.153 0.038 2040.8 8 - 0.021 3816.8 0.278 0.076 2040.8 9 - 0.185 4000.0 0.123 0.031 2016.8 10 - 0.185 4237.3 0.213 0.054 1533.7 11 - 0.228 3937.0 0.183 0.045 2032.5 12 - 0.143 4032.3 0.175 0.045 1524.5 13 - 0.184 3965.0 0.197 0.047 2032.5 14 - 0.125 3800.0 0.167 0.039 2032.5 15 - 0.298 3776.5 0.139 0.033 2032.5 16 - 0.194 3759.4 0.212 0.051 2040.8 17 - 0.189 3846.2 0.156 0.035 2024.3 18 - 0.171 3983.7 0.136 0.033 1984.1 19 - 0.208 3832.3 0.266 0.067 1984.1 20 - 0.186 3932.2 0.158 0.037 1524.4 Table 5-1.The initialvalues of the physicalproperties on pyrrhotite and ilmenitecorespecimens.n:porosity,Ab:absorption,Vp:P-wavevelocity.

0.3

0.4 (a)

4250

4500 (b)

Figure5-1.Thedistributionrangesoninitialvaluesof(a)absorption,and(b) Vpofpyrrhotite.

0.08

0.1 (a)

0.3

0.4 (b)

2000

2200 (c)

Figure5-2.Thedistributionrangesoninitialvaluesof(a)absorption,(b) porosity,and(c)Vpofilmenite.

6.연구결과

6. 1자류철석의 물성변화

최적의 성장조건에서 미생물의 개체수 변화량으로 인한 pH 변화로부터 자류철 석의 물성변화 특성을 파악하기 위하여 미생물의 배양기간에 따른 슬레이크 내구 성 시험,흡수율,Vp및 일축압축시험 등의 실내시험을 실시하였다.미생물의 배양 기간에 따른 자류철석의 물성변화는 미생물 배양 전의 물성시험 결과로부터 미생 물 배양 이후의 각 단계별 물성시험 결과의 관계를 미생물에 의한 pH 결과와 비교 분석하였다.이때,미생물 배양 전의 초기 물성 결과로부터 미생물 배양 이후의 물 성 변화를 비교분석하기 위하여 흡수율과 Vp는 식 (5.1)로 계산하였다.

6. 1. 1배양기간에 따른 pH 변화

미생물의 배양기간 동안 3일 간격으로 측정된 pH의 결과를 정리하면 Table 6-1과 같다.그리고 배양기간에 따른 pH 변화와 미생물 성장주기 곡선의 관계를 Figure 6-1에 나타내었다.Specimen-U의 경우 배양기간 동안 측정된 pH는 1.43

∼ 2.07사이의 분포를 보인다(Figure6-1(a)).각 구간별 특징을 살펴보면,10일 ∼ 30일 구간에서의 완만한 감소는 적응기,30일 ∼ 40일 구간에서의 급격한 감소는 지수성장기,40일 ∼ 80일 구간에서의 완만한 증가는 정체기,80일 ∼ 90의 급격한 증가는 사멸기로서 미생물 성장주기 곡선(Figure2-1)과 일치하는 경향을 보였다.

Specimen-S의 경우 배양기간 동안 측정된 pH는 1.10∼ 1.73사이의 분포를 보인 다(Figure6-1(b)).이 시험편의 경우도 10일 ∼ 30일 구간에서의 완만한 감소는 적 응기,30일 ∼ 40일의 급격한 감소는 지수성장기,40일 ∼ 80일 구간에서의 완만한 증가는 정체기,80일 ∼ 90의 급격한 증가는 사멸기로서 Specimen-U의 측정 결과 에서 보이는 바와 같이 미생물 성장주기 곡선과 일치하는 경향을 보였다.특히,배 양기간 0일 ∼ 3일 사이의 급격한 pH의 감소는 미생물 배양에 있어 조성된 환경에

로서 미생물의 성장주기에는 포함시키지 않았다.미생물 배양기간에 따른 pH에 대 한 전체 측정결과를 살펴보면 Figure6-1(c)와 같다.두 배지 모두에서 pH 변화량 이 미생물의 성장곡선과 정확하게 일치하며,미생물의 개체수 변화량에 의한 이론 적인 성장주기 곡선과 배양기간 동안 측정된 pH 변화량은 상호 반비례 관계임을 알 수 있다.

Table6-1.Theresultsofthemeasured pH with an intervalof3daysduring cultureperiodonspecimen-U andspecimen-S.0day:controledpH.

Measurementperiod (day)

Specimen-U Specimen-S

pH pH

0 2.50 2.50

3 1.73 1.68

6 1.70 1.60

9 1.65 1.54

12 1.62 1.48

15 1.67 1.50

18 1.73 1.50

21 1.60 1.48

24 1.61 1.54

27 1.64 1.63

30 1.76 1.60

33 1.50 1.17

36 1.43 1.10

39 1.44 1.13

42 1.50 1.16

45 1.48 1.14

48 1.51 1.14

51 1.53 1.21

54 1.56 1.21

57 1.61 1.29

60 1.64 1.31

63 1.69 1.35

66 1.71 1.35

69 1.72 1.34

72 1.75 1.36

75 1.76 1.39

78 1.81 1.42

81 1.81 1.40

84 1.86 1.47

87 1.98 1.67

- 25 -

2.5 3.0

P ot en tia l o f hy dr og en ( pH ) ^(a)

2.5 3.0

P ot en tia l o f hy dr og en ( pH ) ^(b)

2.5 3.0

en ti al o f hy dr og en ( pH ) ^(c)

Figure6-1.ThepH changesaccordingtocultureperiod:(a)Specimen-U,(b) Specimen-S,and(c)alldata.

6. 1. 2슬레이크 내구성 시험

미생물의 배양기간 별로 슬레이크 내구성 시험 횟수에 따라 측정된 중량변화의 결과를 정리하면 Table6-2와 같다.그리고 슬레이크 내구성 시험 횟수에 따라 미 생물의 영향을 받지 않은 시료와 미생물을 배양한 시료의 중량변화 관계를 Figure 6-2에 나타내었다.그림에서 알 수 있듯이 미생물을 배양하지 않은 경우(culture period-0)슬레이크 내구성 시험과 무관하게 중량 변화는 거의 관찰되지 않았다.

반면,미생물을 배양한 경우(cultureperiod-10∼ 90)배양기간에 따라 중량 변화 차이가 다소 관찰되었으며,슬레이크 내구성 시험 횟수가 증가할수록 중량이 감소 하는 경향을 보였다.특히,미생물 배양기간이 20일 ∼ 40일과 80일의 중량 변화 폭이 가장 크게 나타났다.미생물의 배양기간에 따른 슬레이크 내구성 시험 3회 실 시한 결과를 정리하면 Table6-3과 같다.그 결과로부터 구한 슬레이크 내구성 지 수의 변화를 Figure6-3에 도시하였다.미생물을 배양하지 않은 경우 슬레이크 내 구성 지수에 따른 변화 폭이 거의 나타나지 않은 반면,미생물을 배양한 경우 모든 시료에서의 변화 폭이 다르게 나타났으며,그 양상은 거의 비슷하였다.즉,슬레이 크 내구성 시험의 횟수가 증가할수록 변화 폭이 크게 나타났다.3회의 슬레이크 내 구성 시험에서 슬레이크 내구성 지수는 3개의 변곡점을 보였다.이를 살펴보면,배 양기간 0∼ 30일 구간에서는 감소,30∼ 60일 구간에서는 증가,60∼ 80일 구간 에서는 감소,80∼ 90일 구간에서는 증가하는 형태를 보였다.또한 슬레이크 내구 성 지수는 배양기간이 30일에서 가장 작은 값을 나타냈다.

Table6-2.Theresultsofthemeasuredweightoneachcycleofslakedurability testaccordingtocultureperiod.

Cultureperiod (day)

Cyclesofslakingdurabilitytest Weightfor

0-cycle(g)

Weightfor 1-cycle(g)

Weightfor 2-cycle(g)

Weightfor 3-cycle 0 110.01 109.990 109.920 109.910 10 98.360 98.050 97.680 97.460 20 107.16 106.180 105.800 105.500 30 104.00 103.00 102.360 101.770 40 97.010 96.210 95.850 95.490 50 99.070 98.350 98.270 97.930 60 102.390 102.010 101.860 101.680 70 93.770 93.380 93.010 92.940 80 87.420 86.790 86.390 85.460 90 97.910 97.490 97.300 97.090

Table6-3.Theresultsofweighton each cycleand drum measured forslake durabilityindex._:Slakedurabilityindex

Slakedurabilityindexfor1-cycle Cultureperiod

(day)

Weightafter 0-cycle(g)

Weightafter 1-cycle(g)

Weight of

drum (g) I (%) 0 110.007 109.992 2010.6 99.9 10 98.602 98.055 2010.6 99.4 20 107.472 106.183 2010.6 98.8 30 104.716 102.999 2010.6 98.3 40 97.667 96.219 2010.6 98.5 50 99.330 98.352 2010.6 99.0 60 102.540 102.009 2010.6 99.4 70 95.086 93.338 2010.6 98.1

Table6-3.Continued

Slakedurabilitytestindexfor2-cycle Cultureperiod

(day)

Weightafter 0-cycle(g)

Weightafter 1-cycle(g)

Weight of

drum (g) I_ (%) 0 110.007 109.920 2010.6 99.9 10 98.602 97.687 2010.6 99.0 20 107.472 105.850 2010.6 98.4 30 104.716 102.363 2010.6 97.7 40 97.667 95.857 2010.6 98.1 50 99.330 98.179 2010.6 98.8 60 102.540 101.855 2010.6 99.3 70 95.086 93.005 2010.6 97.8 80 87.708 86.390 2010.6 98.4 90 98.186 97.300 2010.6 99.0

Slakedurabilitytestindexfor3-cycle Cultureperiod

(day)

Weightafter 2-cycle(g)

Weightafter 3-cycle(g)

Weightof

drum (g) I_ (%) 0 110.007 109.911 2010.6 99.9 10 98.602 97.468 2010.6 98.8 20 107.472 105.502 2010.6 98.1 30 104.716 101.767 2010.6 97.1 40 97.667 95.394 2010.6 97.6 50 99.330 97.405 2010.6 98.0 60 102.54 101.581 2010.6 99.0 70 95.086 92.742 2010.6 97.5 80 87.708 85.462 2010.6 97.4 90 98.186 97.088 2010.6 98.8

- 29 -

110 115

Figure6-2.Changesofweightbyeachcycleofslakedurabilitytestwith cultureperiod.

99 100

e du ra bi lit y in de x (% )

Figure6-3.Changesofslakedurabilityindexbyeachcycleofslakedurability testwithcultureperiod.

6. 1. 3흡수율

미생물 배양 전 자류철석 시험편에 대한 각 단계별 초기 흡수율의 결과로부터 배양 이후 각 단계별로 측정된 흡수율의 결과를 정리하면 Table6-4와 같다.그리 고 미생물 배양기간과 각 단계별로 측정된 흡수율의 관계를 Figure6-4에 나타내 었다.Specimen-U의 경우 배양 전 초기 흡수율은 0.157% ∼ 0.216%,배양 이후 에 측정된 흡수율은 0.186 % ∼ 0.463 %(Figure 6-4(a))의 범위를 보였다.

Specimen-S에서의 배양 전 초기 흡수율은 0.125 % ∼ 0.298 %,배양 이후에는 0.185% ∼ 0.461% 사이의 분포를 나타냈다(Figure6-4(b)).결과적으로 두 시료 모두 배양기간이 증가할수록 배양 전과 후의 흡수율 변화 폭이 서서히 증가하는 경향을 보였다.그러나 배양기간 40일 이후부터는 배양 전후의 변화 폭이 크게 증 가하지 않았다.이들의 결과를 식 (5.1)로 정규화하여 계산한 후 정리하면 Table 6-5와 같다.초기 평균값을 기준점으로 하여 계산된 각 단계별 흡수율의 변화를 Figure6-5에 도시하였다.Specimen-U의 경우 미생물 배양기간에 따라 계산된 흡 수율은 0.174% ∼ 0.385% 사이의 분포를 보이며,0일 ∼ 30일 구간에서의 급격 한 증가는 적응기,30일 ∼ 40일 구간의 더욱 급격한 증가는 지수성장기,40일 ∼ 90일에서의 변화가 거의 없는 구간은 정체기와 사멸기로 미생물 성장주기에 따른 pH 결과와 거의 일치하는 경향을 보였다(Figure6-5(a)).Specimen-S에서 계산된 흡수율은 0.193% ∼ 0.359% 사이에 분포를 보였으며,Specimen-U의 결과와 동 일한 구간에서 미생물 성장주기에 따른 pH 결과와 거의 일치하는 경향을 나타냈다 (Figure6-5(b)).미생물 배양기간에 따른 흡수율에 대한 전체 측정결과를 살펴보면 (Figure6-5(c)),두 배지에서 모두 미생물 성장주기에 따른 pH 결과와 거의 일치 하는 경향을 보였으나 흡수율에서는 정체기와 사멸기 구간에서 뚜렷한 차이를 보 이지 않았다.이러한 경향은 미생물의 개체수가 40일 전까지 급격하게 증가하며 영 향을 미친 반면,40일 이후에는 이들의 개체수가 더 이상 증가하지 않고 정체기와 사멸기로 접어드는 단계로서 미생물의 영향이 크게 감소된 것으로 판단된다.

Specimen-U Cultureperiod

(day)

Beforeculture Afterculture M_

(g)

M_{ }

(g)

Ab (%)

M_{ } (g)

M_

(g)

Ab (%) 0 109.225 109.462 0.216 109.225 109.462 0.216 10 108.661 108.832 0.157 107.139 106.923 0.202 20 111.262 111.491 0.205 107.688 107.380 0.286 30 104.980 105.198 0.207 99.846 99.527 0.320 40 107.218 107.392 0.162 102.200 101.830 0.363 50 106.556 106.761 0.192 99.715 99.317 0.400 60 110.994 111.230 0.212 104.918 104.482 0.417 70 108.832 108.855 0.021 103.291 103.052 0.231 80 107.282 107.481 0.185 87.728 87.391 0.385 90 105.363 105.558 0.185 93.926 93.564 0.386

Avg. - - 0.174 - - -

Specimen-S

0 110.007 110.258 0.228 110.007 110.258 0.228 10 100.164 100.308 0.143 98.362 98.542 0.182 20 110.541 110.745 0.184 107.160 107.432 0.253 30 108.806 108.943 0.125 104.000 104.216 0.207 40 104.688 105.001 0.298 97.019 97.467 0.461 50 106.924 107.132 0.194 99.077 99.430 0.356 60 110.861 111.071 0.189 102.390 102.740 0.341 70 104.100 104.279 0.171 93.770 94.086 0.336 80 109.854 110.083 0.208 87.420 87.748 0.375 Table 6-4.The results ofthe measured absorption before and after culture according tocultureperiod on Specimen-U and Specimen-S.M_{ }:dry weight, M :saturatedweight,Ab:absorption.

Table6-5.Theresultsofnormalizedabsorption according tocultureperiodon Specimen-U andSpecimen-S.0day:initialaveragevalues.

Cultureperiod (day)

Normalizedabsorption(%)

Specimen-U Specimen-S

0 0.174 0.193

10 0.219 0.232

20 0.255 0.262

30 0.287 0.274

40 0.375 0.355

50 0.383 0.354

60 0.379 0.345

70 0.385 0.358

80 0.374 0.359

90 0.376 0.351

0.45

0.60 (a)

0.45

0.60 (b)

Figure6-4.Changesofmeasuredabsorptionbeforeandaftercultureon(a) Specimen-U,and(b)Specimen-S withcultureperiod.

- 33 -

0.4

0.5 (a)

N or m al iz ed a bs or pt io n (% )

0.4

0.5 (b)

N or m al iz ed a bs or pt io n (% )

0.4

0.5 (c)

m al iz ed a bs or pt io n (% )

Figure6-5.Changesofnormalizedabsorptionaccordingtocultureperiod:(a) Specimen-U,(b)Specimen-S,and(c)alldata.

6. 1. 4종파속도

미생물 배양 전 자류철석 시험편에 대한 각 단계별 초기 Vp의 결과로부터 배 양 이후 각 단계별로 측정된 Vp의 결과를 정리하면 Table6-6과 같다.그리고 미 생물 배양기간과 각 단계별로 측정된 Vp의 관계를 Figure 6-6에 나타내었다.

Specimen-U의 배양 전 초기 Vp는 3816.8m/s∼ 4386.0m/s,배양 이후에 측정된 Vp는 1725.3m/s∼ 4201.7m/s(Figure6-6(a))의 범위를 보였다.Specimen-S에서 는 배양 전 초기 Vp는 3759.4m/s ∼ 4032.3m/s,배양 이후에는 1372.3m/s∼

3937.0m/s사이의 분포를 나타냈다(Figure6-6(b).배양 전후 Vp변화 폭은 흡수 율과 달리 배양기간 70일부터 큰 차이를 보이지 않았다.그리고 이들의 결과를 정 규화 식 (5.1)로 계산하여 정리하면 Table6-7과 같고,기준점(초기 평균값)으로부 터 계산된 각 단계별 Vp의 변화 관계를 Figure6-7에 나타내었다.Specimen-U의 경우 배양기간에 따라 계산된 Vp는 1991.5m/s∼ 4083.0m/s사이의 분포를 나타 내며,0일 ∼ 30일 구간에서의 완만한 감소는 적응기,30일 ∼ 40일 구간에서의 급 격한 감소는 지수성장기,40일 ∼ 70일 구간에서의 완만한 감소는 정체기,70일 ∼ 90일 까지 거의 변화가 없는 구간은 사멸기로 미생물 성장주기에 따른 pH 결과와 거의 일치하는 경향을 보였다(Figure6-7(a)).Specimen-S의 계산된 Vp는 1752.4 m/s∼ 3941.5m/s사이의 분포를 보였으며,이들의 결과를 미생물 성장주기에 따 른 pH 결과와 비교하면,전반적으로 Specimen-U의 경우와 동일한 형태의 미생물 성장주기를 보이는 것을 알 수 있다(Figure6-7(b)).이때,미생물에 의한 자류철석 의 pH 변화 결과에서와 같이 배양기간 80일에 나타나야할 사멸기가 Vp의 측정 결 과에서는 70일에 나타났다.이는 미생물의 개체수증가로 인한 성장주기의 양상을 pH,즉 산도에 의한 개체수 추정으로 반영한 간접적인 결과이기 때문에 다소 오차 가 발생할 수 있음을 암시한다.그러나 미생물 배양기간에 따른 Vp의 전체적인 결 과를 살펴보면(Figure 6-7(c)),미생물의 성장주기에 따른 pH 결과와 전반적으로 잘 일치하는 양상을 보인다.

Table6-6.Theresultsofthemeasured Vp beforeand aftercultureaccording tocultureperiodonSpecimen-U andSpecimen-S.Vp:P-wavevelocity.

Specimen-U Cultureperiod

(day)

Beforeculture Afterculture Vp(m/s) Vp(m/s)

0 4065.0 4065.0

10 4386.0 4201.7

20 4065.0 3649.6

30 3920.0 2648.6

40 4273.5 2427.2

50 4098.4 2102.7

60 3968.3 2074.3

70 3816.8 1725.3

80 4000.0 1937.1

90 4237.3 2149.5

Avg. 4083.0 -

Specimen-S

0 3937.0 3937.0

10 4032.3 3906.2

20 3965.0 3649.6

30 3800.0 3246.8

40 3776.5 2524.0

50 3759.4 2500.0

60 3846.2 2475.2

70 3983.7 1639.0

80 3832.3 1372.3

90 3932.2 1493.1

Avg. 3886.4 -

Table 6-7.The results ofnormalized P-wave velocity according to culture period in Specimen-U and Specimen-S.Vp:P-wave velocity,0 day:initial averagevalues.

Cultureperiod (day)

NormalizedVp(m/s)

Specimen-U Specimen-S

0 3886.46 4083.0

10 3760.36 3898.7

20 3571.06 3667.6

30 3333.26 2811.6

40 2633.96 2236.7

50 2627.06 2087.3

60 2515.46 2189.0

70 1541.76 1991.5

80 1426.46 2020.1

90 1447.36 1995.2

4000

5000 (a)

4000

5000 (b)

Figure6-6.ChangesofmeasuredVpbeforeandaftercultureon(a) Specimen-U,and(b)Specimen-S withcultureperiod.

- 37 -

4000 5000

N or m al iz ed V p (m /s )

(a)

4000

5000 (b)

N or m al iz ed V p (m /s )

4000

5000 (c)

m al iz ed V p (m /s )

Figure6-7.Changesofnormalizedabsorptionaccordingtocultureperiod:(a) Specimen-U,(b)Specimen-S,and(c)alldata.

6. 1. 5일축압축강도

미생물의 배양기간에 따라 측정된 일축압축강도의 결과를 정리하면 Table6-8 과 같다.그리고 배양기간에 따른 일축압축강도와 미생물의 성장주기에 따른 pH 결과의 관계를 Figure6-8에 나타내었다.그림에서와 같이 Specimen-U의 경우 미 생물을 배양하지 않은 시료(culture period-0)에서 측정된 일축압축강도는 117.4 MPa를 나타냈다.그리고 시험편 배양 이후에는 배양기간이 지남에 따라 각 단계별 로 현저한 강도 저하를 보였으며,최종단계(culture period-90)에서는 17.9 MPa로 나타났다.이들의 결과를 미생물 성장주기에 따른 pH 결과와 비교해보면,일부 구 간에서는 미생물 성장주기가 뚜렷한 차이를 보이지 않았으나,배양기간 0일 ∼ 10 일 구간에서의 완만한 감소,10일 ∼ 20일 구간에서의 급격한 감소와 20일 ∼ 30일 구간에서의 완만한 감소,그리고 30∼ 40일 구간에서의 급격한 감소는 적응기와 지수성장기,40일 ∼ 90일 구간에서의 완만한 감소는 정체기와 사멸기에 해당하는 것을 알 수 있다.이것은 일축압축강도가 미생물의 배양기간 40일 전까지 적응기와 지수성장기로서 미생물 개체수의 급격한 증가로 인하여 2번의 큰 변화를 보였지만 40일 이후에는 이들의 개체수가 더 이상 증가하지 않고 정체기와 사멸기로 접어드는 단계로서 미생물의 영향이 크게 감소된 것을 의미한다. 반면, Specimen-S 의 경우 슬 레이크 내구성 시험을 위한 시료로서 슬레이크 내구성 시험에 의한 자류철석 시험 편의 내구성 감소로 인하여 일축압축강도 측정은 불가능하였다.

- 39 - Cultureperiod

(day)

Specimen-U Specimen-S UCS(MPa) UCS(MPa)

0 117.4 -

10 113.7 -

20 75.5 -

30 71.6 -

40 25.8 -

50 25.3 -

60 21.0 -

70 14.7 -

80 18.7 -

90 17.9 -

Table 6-8.The results ofthe measured UCS according to culture period on Specimen-U andSpecimen-S.UCS:uniaxialcompressivestrength,0day:initial value.

90 120

ax ia l c om pr es si ve s tr en gt h (M P a)

Figure6-8.Changesofmeasureduniaxialcompressivestrengthbeforeandafter cultureonSpecimen-U withcultureperiod.

6. 2티탄철석의 물성변화

티탄철석 시험편에 대해 미생물을 배양하지 않은 무기적 및 미생물을 배양한 생물학적 산화 시험과 배양기간에 따라 흡수율,공극률,Vp및 일축압축강도 등의 물성시험을 실시하였다.그 이후에 배양기간 동안 발생하는 무기적 및 생물학적 산 화 시험에 의한 각 단계별 물성변화 양상을 비교하기 위하여 배양 실시 전과 후에 측정된 흡수율,공극률 및 Vp는 식 (5.1)로 계산하였다.

6. 2. 1무기적 및 생물학적 산화에 따른 pH 변화

미생물 배양 유무와 배양기간에 따른 티탄철석의 pH 변화 결과를 Table6-9에 정리하였다.그리고 배양기간에 따른 무기적 및 생물학적 산화 시험에 의한 pH 변 화 관계를 Figure6-9에 나타내었다.여기서,초기 pH는 미생물이 충분히 적응할 수 있도록 배양 실시 24시간 이후를 0일로 시작하여 5일 간격으로 측정하였다.무 기적 산화 시험의 경우 측정된 pH는 3.82∼ 4.26범위의 분포(Figure6-9(a))를 보 인 반면,생물학적 산화 시험의 경우 측정된 pH는 2.20 ∼ 2.57 범위(Figure 6-9(b))를 보였다.무기적 및 생물학적 산화 시험과 배양기간에 따른 전체측정 결 과를 살펴보면(Figure6-9(c)),이들의 변화 폭은 큰 차이를 보이며 생물학적 산화 시험에 의한 pH 값들이 무기적 산화 시험에 의한 pH 값들 보다 상대적으로 낮은 범위에 분포되어 있음을 알 수 있다.이것은 ^{ }이온의 증가로 인한 무기적 산화 작용과 미생물에 의한 생물학적 산화작용이 복합적으로 작용하여 티탄철석의 산화 를 촉진 시킨 결과로 판단된다.

Measurementperiod (day)

Potentialofhydrogen(pH)

Abioticoxidationtest Bio-oxidationtest

0 4.26 2.20

5 4.22 2.35

10 4.04 2.33

15 4.00 2.32

20 3.87 2.30

25 3.82 2.43

30 3.83 2.52

35 3.84 2.54

40 3.85 2.56

45 3.87 2.57

Table6-9.Theresultsofthemeasured pH according tooxidation testoftwo conditionsandcultureperiod.

- 42 -

4.0 5.0

Po te nt ia l o f hy dr og en ( pH ) ^(a)

4.0 5.0

Po te nt ia l o f hy dr og en ( pH ) ^(b)

4.0

5.0 (c)

te nt ia l o f hy dr og en ( pH )

Figure6-9.ChangeofmeasuredpH by(a)abioticoxidationtest,and(b) bio-oxidationtestwithcultureperiod,and(c)resultsofalltests.

6. 2. 2흡수율

미생물 배양 전 측정된 티탄철석 시험편에 대한 초기 흡수율의 결과로부터 배 양 이후 각 단계별로 측정된 흡수율의 결과를 정리하면 Table6-10과 같다.그리 고 미생물 유무와 배양기간에 따라 측정된 흡수율의 관계를 Figure6-10에 나타내 었다.무기적 산화 시험을 위한 배양 전 초기 흡수율은 0.029% ∼ 0.085%,배양 이후 각 단계별로 측정된 흡수율은 0.033% ∼ 0.090% 사이에 분포를 나타내며 (Figure6-10(a)),배양 전후 흡수율 변화 폭이 큰 차이를 보이지 않았다.반면 생 물학적 산화 시험을 위한 배양 전 초기 흡수율은 0.033% ∼ 0.067%,배양 이후 에는 0.045 % ∼ 0.097%의 범위 내에서 분포를 보였으며(Figure 6-10(a)),배양 전후 변화 폭이 큰 차이를 보였다.그리고 이들의 결과를 정규화한 식 (5.1)로 계산 하여 정리하면 Table6-11과 같다.기준점(초기 평균값)으로부터 미생물 유무와 배 양기간에 따라 계산된 각 단계별 흡수율의 변화 관계를 Figure6-11에 나타내었다.

그림에서와 같이 미생물 유무와 관계없이 배양기간이 경과됨 따라 계산된 각 단계 별 티탄철석 시험편의 흡수율은 초기 평균값(cultureperiod-0)에 비해 전반적으로 높은 값을 보였다.무기적 산화 시험의 경우 0.048% ∼ 0.053% 범위의 분포에 최종단계(culture period-45)에서는 0.052 %(Figure 6-11(a))로 나타났다.반면,생 물학적 산화 시험의 경우 0.043 % ∼ 0.073 % 범위로 최종단계에서는 0.073

%(Figure6-11(b))로 나타났다.그러나 배양 전 측정된 초기 흡수율로부터 배양 이 후 각 단계별로 측정된 흡수율의 증가량은 전반적으로 미미하였다.일반적으로 흡 수율은 경암의 경우 10% 이하이며,더군다나 신선하고 치밀한 암석에서는 1%도 되지 않은 경우가 많다.또한 흡수율은 암석의 강도가 비교적 약한 연암에서 그 경 향이 비교적 잘 나타나는 반면 경암에서는 큰 변화를 보이지는 않는다는 점을 고 려해 볼 때(김성환 외,1997),티탄철석은 무기적 및 생물학적 산화작용에 의한 영 향을 크게 받지 않음을 의미한다.그럼에도 불구하고 0일 ∼ 45일까지 이들의 변화 폭은 큰 차이를 나타내며 무기적 산화 시험에 비해 생물학적 산화 시험에 의한 흡 수율이 더 큰 증가를 보였다(Figure6-11(c)).즉,미생물에 의한 생물학적 산화작

Abioticoxidationtest Cultureperiod

(day)

Before After M_{ }

(g)

M_{ }

(g)

Ab (%)

M_{ } (g)

M_

(g)

Ab (%) 0 99.930 99.963 0.033 99.930 99.963 0.033 5 96.672 96.731 0.061 96.665 96.727 0.064 10 106.117 106.158 0.038 106.109 106.154 0.042 15 102.947 103.035 0.085 102.937 103.030 0.090 20 100.383 100.413 0.029 100.363 100.397 0.033 25 98.498 98.532 0.034 98.491 98.527 0.036 30 98.337 98.375 0.038 98.321 98.361 0.040 35 91.111 91.181 0.076 91.098 91.172 0.081 40 98.332 98.363 0.031 98.326 98.361 0.035 45 96.567 96.620 0.054 96.550 96.607 0.059

Avg. - - 0.048 - - -

Bio-oxidationtest

0 100.574 100.620 0.045 100.574 100.620 0.045 5 97.615 97.659 0.045 97.592 97.650 0.059 10 102.09 102.139 0.047 102.060 102.123 0.061 15 106.206 106.248 0.039 106.165 106.220 0.051 20 104.693 104.728 0.033 104.664 104.725 0.058 25 102.659 102.712 0.051 102.624 102.691 0.065 30 109.946 109.985 0.035 109.910 109.967 0.051 35 100.744 100.778 0.033 100.700 100.760 0.059 40 99.776 99.843 0.067 99.698 99.795 0.097 45 105.064 105.103 0.037 104.978 105.042 0.060

Avg. - - 0.043 - - -

Table6-10.Theresultsofthemeasured absorption beforeand afteroxidation test of two conditions according to culture period.M_{ }:dry weight,M_: saturationweight,Ab:absorption.

Table6-11.Theresultsofnormalizedabsorption according tooxidation testof twoconditionsandcultureperiod.0day:initialaveragevalues.

Cultureperiod (day)

Normalizedabsorption(%)

Abioticoxidationtest Bio-oxidationtest

0 0.048 0.043

5 0.050 0.058

10 0.050 0.057

15 0.052 0.055

20 0.052 0.057

25 0.053 0.060

30 0.052 0.067

35 0.052 0.069

40 0.051 0.068

45 0.052 0.073

0.08

0.10 (a)

0.08

0.10 (b)

Figure6-10.Changesofmeasuredabsorptionbeforeandafter(a)abiotic oxidationtest,and(b)bio-oxidationtestwithcultureperiod.

- 46 -

0.07

0.08 (a) (a)

N or m al iz ed a bs or pt io n (% )

0.07

0.08 (b)

N or m al iz ed a bs or pt io n (% )

0.07 0.08

or m al iz ed a bs or pt io n (% ) ^(c)

Figure6-11.Changesofnormalizedabsorptionon(a)abioticoxidationtest,and (b)bio-oxidationtestwithcultureperiod,and(c)resultsofalltests.

6. 2. 3공극률

미생물 배양 전 측정된 티탄철석 시험편에 대한 초기 공극률의 결과로부터 배 양 이후 각 단계별로 측정된 공극률의 결과를 정리하면 Table6-12와 같다.그리 고 미생물 유무와 배양기간에 따라 측정된 공극률의 관계를 Figure6-12에 나타내 었다.무기적 산화 시험을 위한 배양 전 초기 공극률은 0.119% ∼ 0.351%,배양 이후 무기적 산화 시험에 의하여 각 단계별로 측정된 흡수율은 0.132% ∼ 0.369

% 범위의 분포를 보였다(Figure6-12(a)).반면,생물학적 산화 시험을 위한 배양 전 초기 흡수율은 0.136% ∼ 0.266%,배양 이후에는 0.132% ∼ 0.369% 범위 내 분포를 나타냈다(Figure6-12(b)).이러한 배양 전후 공극률의 변화 폭은 흡수율 의 결과와 비슷한 양상을 보였다.그리고 이들의 결과를 정규화된 식 (5.1)로 계산 하여 정리하면 Table6-13과 같다.기준점(초기 평균값)으로부터 미생물 유무와 배 양기간에 따라 계산된 각 단계별 공극률의 변화를 Figure6-13에 나타내었다.그림 에서와 같이 무기적 산화 시험의 경우 미생물 배양기간에 따라 계산된 공극률은 0.190% ∼ 0.209% 범위에 분포하며(Figure6-13(a)),초기 평균값에 비해 미미한 증가를 나타냈다.하지만,생물학적 산화 시험에서 측정된 공극률은 0.179 % ∼ 0.298% 사이의 분포를 보였으며(Figure6-13(b)),초기 평균값에 비해 큰 증가를 보였다.배양기간에 따라 측정된 공극률에 대한 전체 측정결과를 살펴보면(Figure 6-13(c)),공극률도 흡수율의 경우와 비슷하게 배양 전 측정된 초기 평균값으로부 터 배양 이후 각 단계별로 측정된 값들은 미미한 증가량을 보였으나 이들의 변화 폭은 큰 차이를 나타냈다.즉,배양기간과 두 산화 시험의 조건에서 측정된 공극률 은 미생물에 의한 영향을 크게 받았음을 의미한다.